Kā tika izgudrota optiskā šķiedra

Optiskā šķiedra ir ierobežota gaismas caurlaidība caur stikla vai plastmasas garajiem šķiedru stieņiem. Gaisma pārvietojas iekšējās refleksijas procesā. Stieņa vai kabeļa serde ir vairāk atstarojoša nekā kodolu ieskaujošais materiāls. Tas izraisa gaismas atstarošanos atpakaļ kodolā, kur tā var turpināt virzīties pa šķiedru. Optiskās šķiedras kabeļi tiek izmantoti balss, attēlu un citu datu pārraidīšanai tuvu gaismas ātrumam.

Corning Glass pētnieki Roberts Maurers, Donalds Keks un Pīters Šulcs izgudroja optisko šķiedru vadu jeb "Optical Waveguide Fibres" (patents # 3 711 262), kas spēj pārvadāt 65 000 reižu vairāk informācijas nekā vara stieple, caur kuru gaismas viļņu parauga informāciju varēja atšifrēt pat tūkstoš jūdžu galapunktā prom.

Optisko šķiedru sakaru metodes un to izgudrotie materiāli atvēra durvis šķiedru optikas komercializēšanai. No tālsatiksmes telefona pakalpojuma līdz internets un tādas medicīnas ierīces kā endoskops, optiskā šķiedra tagad ir mūsdienu dzīves galvenā sastāvdaļa.

• 1854. gads: Džons Tindals parādīja Karaliskajai biedrībai, ka gaismu var izvadīt caur izliektu ūdens straumi, pierādot, ka gaismas signāls var būt saliekts.
• 1880: Aleksandrs Grehems Bells izgudroja savu "Fotofons, kas raidīja balss signālu uz gaismas staru. Bell pievērsa saules gaismu ar spoguli un pēc tam sarunājās mehānismā, kas vibrēja spoguli. Saņēmēja galā detektors uztvēra vibrējošo staru un dekodēja to atpakaļ balsī tāpat kā tālrunis darīja ar elektriskiem signāliem. Tomēr daudzas lietas - piemēram, mākoņaina diena - varētu traucēt fotofona darbību, liekot Bellam pārtraukt turpmākus šī izgudrojuma pētījumus.
• 1880. gads: Viljams Vīlers izgudroja gaismas caurulīšu sistēmu, kas izklāta ar ļoti atstarojošu pārklājumu, kas apgaismo mājas izmantojot pagrabā ievietotās elektriskās loka lampas gaismu un ar mājām virzot gaismu ap mājām caurules.
• 1888. gads: Vīnes Rota un Reusa medicīnas komanda izmantoja stikla stikla stieņus, lai apgaismotu ķermeņa dobumus.
• 1895. gads: franču inženieris Henrijs Sent-Rene projektēja saliektu stikla stieņu sistēmu gaismas attēlu vadīšanai, mēģinot sākt televīziju.
• 1898. gads: amerikānis Deivids Smits pieprasīja patentu uz saliekta stikla stieņa ierīces, ko izmanto kā ķirurģisko lukturi.
• 1920. gadi: anglis Džons Lodžijs Bārds un amerikāniete Klarēna V. Hansels patentēja ideju izmantot caurspīdīgu stieņu blokus, lai attiecīgi pārraidītu attēlus televīzijai un faksimilām.
• 1930. gads: vācu medicīnas students Heinrihs Lamms bija pirmais, kurš attēla noformēšanai samontēja optisko šķiedru paketi. Lammas mērķis bija ieskatīties nepieejamās ķermeņa daļās. Eksperimentu laikā viņš ziņoja par spuldzes attēla pārraidi. Tomēr attēls bija sliktas kvalitātes. Viņa centieni iesniegt patentu tika noraidīti, pateicoties Hansela britu patentam.
• 1954. gads: holandiešu zinātnieks Ābrahams van Heels un britu zinātnieks Harolds H. Hopkinss atsevišķi rakstīja dokumentus par attēlveidošanas saišķiem. Hopkinss ziņoja par neplakētu šķiedru saišķu attēlveidošanu, savukārt Van Heels ziņoja par vienkāršiem plaķēto šķiedru saišķiem. Viņš pārklāja kailu šķiedru ar caurspīdīgu apšuvumu ar zemāku refrakcijas koeficientu. Tas aizsargāja šķiedru atstarojošo virsmu no ārpuses kropļojumiem un ievērojami samazināja traucējumus starp šķiedrām. Tajā laikā lielākais šķērslis optiskas šķiedras izmantošanai bija zemākā signāla (gaismas) zuduma sasniegšana.
• 1961. gads: Eliass Snitzers no American Optical publicēja vienmoda šķiedru teorētisko aprakstu - šķiedru ar tik mazu serdi, ka tā varētu nest gaismu tikai ar vienu viļņvada režīmu. Snitzera ideja bija piemērota medicīniskajam instrumentam, kas ieskatījās cilvēka iekšienē, bet šķiedrai bija gaismas zudums viens decibels uz metru. Sakaru ierīcēm, kas vajadzīgas, lai darbotos daudz lielākos attālumos, bija nepieciešami gaismas zudumi, kas nepārsniedz desmit vai 20 decibelus (gaismas mērījums) uz kilometru.
• 1964. gads: Dr. C.K. identificēja kritisku (un teorētisku) specifikāciju. Kao tāldarbībai komunikācija ierīces. Specifikācija bija desmit vai 20 decibeli gaismas zudumu uz kilometru, kas noteica standartu. Kao arī ilustrēja nepieciešamību pēc tīrākas stikla formas, kas palīdzētu samazināt gaismas zudumus.
• 1970. gads: Viena pētnieku komanda sāka eksperimentēt ar kausētu silīcija dioksīdu - materiālu, kas spēj sasniegt galēju tīrību ar augstu kušanas temperatūru un zemu refrakcijas koeficientu. Corning Glass pētnieki Roberts Maurers, Donalds Keks un Pīters Šulcs izgudroja optisko šķiedru vadu vai "Optisko viļņvadu šķiedras" (patents # 3,711,262), kas spēj pārvadāt 65 000 reizes vairāk informācijas nekā vara stieple. Šis vads ļāva atšifrēt informāciju, ko nes gaismas viļņu paraugs, galamērķī pat tūkstoš jūdžu attālumā. Komanda bija atrisinājusi dr. Kao piedāvātās problēmas.
• 1975. gads: Amerikas Savienoto Valstu valdība nolēma sasaistīt datorus NORAD galvenajā mītnē Šajenas kalnā, izmantojot šķiedru optiku, lai samazinātu traucējumus.
• 1977. gads: pirmais optiskais telefons sakaru sistēma tika uzstādīta apmēram 1,5 jūdzes zem Čikāgas centra. Katrai optiskajai šķiedrai bija 672 balss kanālu ekvivalents.
• Līdz gadsimta beigām vairāk nekā 80 procentus no pasaules tālsatiksmes pārvadājumiem veica optisko šķiedru kabeļi un 25 miljoni kilometru garais kabelis. Visā pasaulē ir uzstādīti Maurer, Keck un Schultz konstruētie kabeļi.

Richard Sturzebecher sniedza šādu informāciju. Sākotnēji tas tika publicēts Army Corp publikācijā "Monmouth Message".

1958. gadā ASV armijas Signal Corps laboratorijās, kas atrodas Monmoutas štatā Ņūdžersijā, vara kabeļa un stieples vadītājs ienīda signālu pārraides problēmas, ko rada zibens un ūdens. Viņš mudināja Materiālu izpētes vadītāju Samu DiVitu atrast aizstājēju vara vads. Sems domāja, ka stikls, šķiedra un gaismas signāli varētu darboties, bet inženieri, kas strādāja Sems, sacīja, ka stikla šķiedra saplīst.

1959. gada septembrī Sems DiVita vaicāja 2. ltn. Ričardam Šturzebekeram, vai viņš zina, kā uzrakstīt formulas stikla šķiedrai, kas spēj pārraidīt gaismas signālus. DiVita bija uzzinājis, ka Sturzebehers, kurš apmeklēja Signālu skolu, savā 1958. gada vecākās disertācijas laikā Alfrēda universitātē, izmantojot SiO2, bija izkausējis trīs trīsdzīslu stikla sistēmas.

Sturzebecher zināja atbildi. Vienlaicīgi izmantojot mikroskops lai izmērītu SiO2 brilles refrakcijas indeksu, Ričardam radās smagas galvassāpes. 60% un 70% SiO2 stikla pulveri zem mikroskopa ļāva lielākam un lielākam daudzumam spožas baltas gaismas iziet cauri mikroskopa priekšmetstiklim un viņa acīm. Atceroties galvassāpes un izcili balto gaismu no augsta SiO2 stikls, Sturzebecher zināja, ka formula būs īpaši tīra SiO2. Sturzebecher arī zināja, ka Corning izgatavoja augstas tīrības pakāpes SiO2 pulveri, oksidējot tīru SiCl4 SiO2. Viņš ieteica DiVita izmantot savas spējas, lai piešķirtu federālo līgumu ar Korningu, lai attīstītu šķiedru.

DiVita jau bija sadarbojies ar Corning pētniekiem. Bet viņam ideja bija jāpublisko, jo visām pētniecības laboratorijām bija tiesības solīt uz federālo līgumu. Tātad 1961. un 1962. gadā ideja par stikla šķiedras augstas tīrības pakāpes SiO2 izmantošanu gaismas caurlaidībai tika publiskota, piedāvājot uzaicinājumu visām pētniecības laboratorijām. Kā gaidīts, DiVita 1962. gadā piešķīra līgumu Corning stikla rūpnīcai Korningā, Ņujorkā. Federālais finansējums stikla šķiedras optikai Korningā laikā no 1963. līdz 1970. gadam bija apmēram 1 000 000 USD. Signal Corps Daudzu šķiedru optikas pētījumu programmu federālais finansējums turpinājās līdz 1985. gadam, tādējādi sējot šī nozare un padarot šodienas vairāku miljardu dolāru rūpniecību, kas novērš vara stiepli sakaros a realitāte.

Divdesmito gadu beigās DiVita turpināja nākt strādāt ASV armijas signālu korpusā un brīvprātīgi kļuva par nanozinātņu konsultantu līdz nāvei 97 gadu vecumā 2010. gadā.